Simcenter电驱系统性能开发 2024

西门子数字化工业软件内容摘要本白皮书讨论了混合动力和电动汽车行业中电驱动系统端到端设计流程的工程、仿真和分析挑战。针对典型的“V”字形设计流程，从概念设计到原型机生产的每一个阶段都进行了讨论。电驱系统主要的工程化目标包括高功率密度、高效率、高可靠性和低成本。使用现代仿真工具进行新颖的集成设计和开发工作流程将在实现这些目标方面发挥核心作用。在本白皮书中，我们讨论了先进的Simcenter™软件工具套件的核心优势，以及如何使用这些工具来应对当前和未来的电驱动系统设计挑战。/zh-CN/SEMENS白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发电驱市场预测电驱开发中的工程挑战5Simcenter电驱动系统解决方案电驱系统架构创成设计及评估8电机选型及设计迭代电机电磁性能仿真验证及优化15电驱散热性能分析22电控系统散热分析25电驱动系统性能集成化分析28电控系统策略开发与在环验证33电驱系统振动噪声及疲劳试验验证36电驱系统基于模型的系统测试39总结西门子数字化工业软件1白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发交通运输行业正在迅速转型，这主要是由车辆电气化、自动驾驶的发展、工业4.0技术的应用、不断变化的消费者数据、经济和环境可持续性问题等推动的。其中一些趋势源于尽量减少温室气体排放水平，开发更安全的运输方式，降低运营成本并提供更好的产在众多变化中，电气化受到的关注最多。市场趋势预测，未来几十年对内燃机汽车替代品的需求（图1）将迅速增长。全球大部分地区设定了雄心勃勃的目标，即在2030年至2050年期间逐步停止内燃机汽车的销售。图1内燃机汽车、混合动力和电动汽车的相对需求这些趋势对混合动力和电动汽车行业的所有细分市场都有广泛的影响，包括动力系统零部件制造商、供应商和集成商。混合动力和电动汽车的动力系统的主要部件是电池或燃料电池、驱动电机、电力电子系统和传动系统。在本白皮书中，我们从行业趋势、挑战和解决方案的角度分析了电驱动设计的现状和未来方向。其中一些关键问题包括：•开发新的和改进的电驱动的需求是否会随着行业的整体增长而增长•下一代电驱动设计工程师面临的技术挑战和机遇是什么•有哪些关键的计算和仿真解决方案可以帮助当今的设计人员应对未来的工程挑战西门子数字化工业软件2白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发工程中所面临的一个重要方面是目前的电驱动无法满足未来纯电动和混合动力汽车的技术标准和性能要求。包括效率水平、功率密度、速度范围、生命周期成本和其他方面都达不到下一代电驱设备所需的水平。这给主机厂和其他利益相关者带来了机遇和挑战。虽然本白皮书的主要重点是技术挑战，但值得从一个对电驱动行业产生巨大影响的非技术问题开始——稀土材料的供应和价格波动。这些材料用于制造高强度永磁体，并用于许多商用电动和混合动力汽车（丰田普锐斯，日产聆风，宝马i3，特斯拉Model3等）驱动电机。稀土材料的供应问题导致了巨大的研发投入，以开发不使用稀土永磁体或减少使用稀土永磁体的电机替代品。自2012年以来，这个问题持续占据大部分围绕下一代电驱动开发的讨论。因此，我们认为开发不使用或减少使用稀土永磁体的高功率密度驱动电机是下一代设计师面临的主要挑战之一。另一个重要挑战是开发高效电机。为了应对气候变化和不断增长的人口对能源的需求，世界各国政府已强制要求降低车辆的排放水平。这反过来又增加了对高效电机的需求。考虑到大多数驱动电机目前以大约90%的效率运行，开发更高效的电机是一个很有挑战的问题。要改进这一点，需要结合材料工程、稳健性设计、制造工艺（例如，使用增材制造）和仿真技术的新技术进步。对于给定的电池，电驱动系统只能在某个转速下运行，该速度由其恒定功率与（基本）速比确定。这是影响电机类型、材料、齿轮传动比和其他动力总成细节选择的重要制约因素。大多数现代电机的恒功率转速范围约为2.5至4，将此范围扩展到7到10是未来机器的目标之一。如果可行，这将有助于大幅降低动力总成传动系统的成本。通过确保稳健性来降低成本是所有机器的另一个重要目标。稳健性的要素包括在制造不确定性和公差下保持机器性能，防止系统故障，确保在可变环境条件下运行的能力等。仿真软件工具是确保机器稳健性的重要推动因素。降低电驱动系统的噪音和振动（NVH）水平是另一项重大技术挑战。由于转子偏心、脉宽调制（PWM）的控制策略或者其他原因此外，除了技术挑战外，对于整个产品研发周期的缩短以及产品多样化的需求也给电驱开发带来的巨大的挑战。面对这些问题，我们需要更加高效地利用仿真方法和工具实现电驱动系统的正向开发。电磁设计是电驱动系统设计仿真的重要部分。除了电磁设计外，电驱动设计还有其他几个方面：传动系统设计，散热或冷却系统设计，电力电子或驱动设计，符合NVH标准并保持机器的结构完整性，以及各种子系统和组件的系统级集成。冷却系统的设计需要电磁-热耦合仿真。为此，需要基于各种保真度级别的模型来进行电磁热耦合仿真，从集总参数到基于计算流体动力学（CFD）的计算。对于电力电子驱动，需要耦合电磁和功率器件仿真。结构分析和NVH仿真需要结构和电磁场进行耦合。对于系统级设计，需要高保真其中每一项都带来了重大挑战。例如，在电磁、热和机械仿真工具之间进行有限元分析的仿真时，时间常数和网格要求的差异只是必须考虑的众多方面中的一部分。此外，基于CFD的仿真的计算成本可能会使某些问题在不使用高性能计算功能的情况下无法电驱的设计空间是高维的。此外，当考虑到问题的多学科和多物理场时，设计目标和约束的数量通常也很高，这导致许多优化方法无效。面对众多选择，工程师面临的一个重要挑战是为原型设计选择优化设计候选方案。利用最先进的流程集成和多目标优化算法可能会有所帮助。这是一个广阔的研究领域，应用新的技术创新对软件工具开发人员来说既是挑战也是机遇。当非线性很重要时，实验设计和优化问题通常需要使用计算量大的基于有限元的分析方法来建模求解，这些模拟可能很耗时。根据手头的问题，可能需要数千次评估。在这些情况下，必须执行基于降阶模型的性能预测。开发高保真降阶模型是一项重要的算西门子数字化工业软件4白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发最后的建模挑战与创建全面的数字孪生有关。在本文中，我们将电驱动系统的数字孪生称为它们以各种形式集成化表征的模型。等效电路或集总参数表示、低阶或降阶模型、响应面模型和基于有限元的模型都是机器数字孪生的示例。就目前而言，集成化电驱动系统模型可以实时更新，并允许在不同仿真平台之间进行无缝模型交换，以进行多物理场和多领域分析。在上面的讨论中，我们总结了当今电驱动设计开发人员面临的一些最重要的工程、仿真和分析挑战。仿真工具将在应对和克服这些挑战方面发挥核心作用。在下面章节中，我们将更深入地介绍在电驱开发设计过程，西门子Simcenter所提供的解决方案。西门子数字化工业软件5白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发电驱动系统开发如下图2所示，涉及到诸多设计、验证及其相互迭代的过程。通常来讲，一个正向研发过程首先从整车需求指标分解开始，明确电驱动系统的各部件的设计目标，然后进行部件级详细设计，其中包括：电磁方案以及动力性能设计、传动方案设计、电驱动系统散热设计及热管理策略开发、电驱动系统的NVH设计及优化等。待各部件性能开发完毕，工程师利用多学科系统仿真平台将表征电驱动系统各项性能的模型进行集成，同时完成整车层面的设计指标验证。在这个过程中，工程师需要不断对各部件的详细设计进行局部优化调整，以此使整车综合性能表现达到平衡。与此同时，为缩短产品研发周期，控制工程师利用前期建立的电驱动系统部件级模型开始控制策略的虚拟标定工作，包括：以能耗最低为目标的基波电流幅值相位标定、以输出扭矩波动最小为目标的谐上述性能开发工作完成后，电驱动系统研发进入样件试制阶段。软件工程完成控制策略的程序实现、硬件电路完成制版、元件焊接与基本功能调试、电机本体生产制造完成并与电驱动系统一体化集成结构完成装配。测试阶段根据实际验证工作需要，依次完成软件在环测试、硬件在环测试、台架测试与实车测试。工程师借助于开发阶段所搭建的系统或部件级详细模型，完成电驱动系统虚实结合的测试过程。在此过程中，数字孪生中的实物部分将逐渐替代虚拟模型部分，从而使测试环境越来越接近于系统真实运行环境。借助于数字孪生技术，电驱动系统的开发周期大幅度缩短，同时得益于虚拟仿真技术的应用，使得设计缺陷尽可能地暴露在早期验证阶段，从而大大降低了电驱动系统的研发成本。在以下各节中，我们将从设计和性能开发工程师的角度讨论所需的仿真工具功能。在设计过程的每个阶段，我们将介绍西门子数字化工业软件6白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发电驱系统架构差异是系统性能差异关键所在，不同系统架构对于所设计产品的成本、性能之间的差异起着决定性的作用，不同驱动方式形式的续航里程、系统可靠性也会有本质的差别，组成更少的集中式电驱系统更容易获得更高的可靠性，轮边电机或者轮毂电机式驱动方式的电动汽车具有更高的加速性能，但同时成本也会更高，这些重要性能的决定因素就是系统架构。不同架构的总体系统设计也决定着子系统与零部件的设计，例如不同的驱动形式决定着不同的电驱动系统的拓扑结构，因此合理的系统架构规划有利于充分利用电动车/混动车的零部件特点和整车总体优势，例如成员舱空间、车身碰撞性能、更好的整车尺寸等，此外对于零部件选型和设在汽车设计概念阶段，工程师通常根据直觉或以往设计经验进行总体架构方案设计和整车性能指标决策，这将导致设计固化从而限制架构方案的创新和寻求优化方案的可能性，整车性能参数被设定后由下游开发团队进行子系统性能标定，随着越来越多的关键指标的确定，设计固化的问题也越来越明显，一旦一种或局限的几种架构方案被设定，我们可以通过仿真进行设计优化，但此时已为时已晚，我们无法获悉是否存在更好的架构方案。面对上述问题，我们需要一个能够帮助工程师进行快速的架构方案创成和评估的工具来进行xEV架构和配置方案的探索和寻优，SimcenterStudio是Simcenter产品组合中的一个应用，用于在早期概念阶段生成和评估系统架构。该软件包含有专利技术，以便使工程师和数据科学家创建新颖的、拓扑上不同的系统架构。SimcenterStudio还将系统仿真、控制方法、以及建立在最先进的机器学习和科学计算堆栈之上强化学习合并在一起，以便对数百种此类架构进行自动仿真和评估。这种方法允许工程师和数据科学家在计算笔记本中创建用户定义的程序，用于创成式工程。SimcenterStudio可以基于用户定义的系统组成、接口数量与类型等生产各种可能的系统架构和配置方案，SimcenterStudio与Amesim联合仿真获得各个需要评估的性能参数。Studio将Amesim中的仿真结果存储于HDF5文件中，同时对结果数据进行后处理并可视化，形成包含了所有的架构、不同架构各参数分部图、各种性能的统计结果，我们通过性能的选择，可以获得满足要求的系西门子数字化工业软件7白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发以电驱系统为例，基于SimcenterStudio进行架构的设计，首先基于功能分析建立电池、电机、变速器、传动系统与车辆等；SimcenterStudio中可以对组件的数量进行控制，例如我们可以选择1个、2个、3个或4个电机对汽车进行驱动，采用0或者1个齿轮箱来构建系统。根据工程经验，可以设置某个接口必须与另外一个接口相连接或无法连接的限制连接或者指定连接条件，从而生成符合要求的系统架构。同时，SimcenterStudio可以设置各个组件减速器速比等等。基于上面设置的限制条件与组成设置、接口设置要求，SimcenterStudio基于AI技术最终可以自动生成满足条件的西门子数字化工业软件8白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发Studio通过调用Amesim仿真计算可以获得各种架构和配置方案下汽车百公里加速时间，这是汽车动力性能评估主要的指标之一。Studio生成除了百公里加速外，其他如能耗、里程等方面的计算结果，结果中包含了所有的架构、不同架构各参数分部图、各种性能的柱状统计结果，我们通过性能的选择，可以获得满足要求的系统架构。图6不同架构所获得的百公里加速时间及能耗结果西门子数字化工业软件9白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发电动汽车设计初始阶段，根据市场需求调研、用户反馈和对标车型的性能参数、工程师已经拿到待研发车型的整车级动力性、经济性指标，例如：标准法规循环工况下的续航里程，百公里加速时间、超车加速时间、最高车速、最大爬坡度等。如何根据这些整车级的性能指标来定义电驱动系统的部件性能，是整车性能工程师面临的首要问题。这些部件的性能指标既包含了动力方面，同时还包图7整车需求分解与部件设计目标确立我们寻求根据车辆类别、典型驱动循环和约束、车辆性能指标等来推导出要设计的电驱系统的目标性能。在此阶段，将执行系统级分析，在分析中组件尺寸和配置以及传动系统拓扑可能会发生变化。结果用于确定所需的电机性能特性。这些特性可能包括峰值和连续工作模式下的功率、速度范围、效率水平等。从软件角度来看，需要一个快速的1D系统仿真工具来考虑多种xEV动力总成配置和组件尺寸变化。对于电机部件，需要不同电机类型的速度-扭矩-效率图来计算到车轮的效率和其他性能参数，如能耗、加速时间、车辆续航里程和爬坡能力。除了效率图变化外，还可以研究改变电池类型和尺寸、逆变器/转换器开关策略、开关损耗、电流或功率限制、单速或多速传输、冷却方法、NVH特性和再生制动模式模拟的影响。最终，系统级仿真工具将促进不同电机类型、传动系配置、电力电子仿真和齿轮配置的模型参数化。系统级仿真的实用性不仅限于尺寸调整，它可以在设计的所有阶段用于评估器件性能，以进行热、NVH和/或其他分析。从驱动电机设计的角度来看，至关重要的是该工具不会将设计人员限制在任何特定的电机类型或配置上，并且可以不受限制地进行设计探索。例如，对于驱动电机设计，希望能够缩放电机的效率图。同时，设计人员应该能够考虑温度对电机输出的影响。这些是系统级仿真软件在设计过程的迭代阶段为牵引电机设计所期望的一些重要功能。SimcenterAmesim软件专为应对这些挑战而设计。它是多领域、多物理系统一维仿真的行计和其他特定领域的多物理场工具紧密结合，它使设计人员和分析人员能够在开发过程的任何阶段评估设计迭代的影响并优化其设计。最强大的方面之一是内置功能，用于在多个保真度级别表示可扩展的牵引电机模型。西门子数字化工业软件10白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发SimcenterAmesim中电机表示的各种保真度级别包括线性化、完全非线性和温度相关的模型。这些模型用于驱动设计、热系统以满足整车动力性的部件设计指标的确立为例进行说明。根据整车的动力性经济性需求，需要明确的部件参数包括：电机峰值/额定扭矩、峰值/额定功率、最高转速、额定转速，减速比等。工程师可以借助SimcneterAmesim系统仿真平台搭建整车性能仿真模型，该模型包括了电机、减速器、电池包、VCU、驾驶员、整车等电驱动系统及其相关系统的关键部件。通过预设电机的外特性参数、电驱动系统效率、减速比、电池单体容量以及成组方式，可以轻松获得整车的动力性和经济性表现。图8基于模型的整车级需求分解与验证在此基础上工程师根据现有不同产品选型，对满足整车级指标需求的多方案设计进行综合分析和优化，例如以电驱动系统的总体效率、动力性能输出为评价依据，综合考虑电机外特性参数与减速比的匹配性设计，从而确定满足系统级指标的最合适部件性能西门子数字化工业软件11白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发在确定给定应用所需的电机外特性后，开始进行电机初始化设计，然后进行迭代。这是概念开发过程的主要步骤之一。在此期间，寻求可行的设计或满足上一步得出的目标性能标准的几个候选设计。除了获得满足性能目标的候选设计外，确保最终设计与适当的冷却系统兼容，并能在各种负载条件下保持结构完整性也很重要。此阶段的关键步骤是设计初始化、材料选择、绕组模式选择和几何形状的微调。从软件工具的角度来看，需要许多重要的功能。首先，在此阶段，快速获得结果和性能计算至关重要。通过不同的电机拓扑结构、绕组配置和材料来探索设计只是寻找可能候选者的众多参数中的一小部分。需要快速评估以了解这些变化对电机性能的影响。这意味着与探索各种选项相关的计算规模必须是最小的。理想情况下，在此阶段需要使用模板化的快速（解析或半解析）计算方法。其次，必须具有创新的灵活性。正在为下一代高功率密度电机探索的一些最有潜力的设计选项是基于增材制造工艺和新材料应用产生的非常规拓扑。在此设计步骤中使用的任何软件都应支持典型和非典型拓扑的设计探索。第三，探索实现下一代电驱动目标性能的主要途径之一是与材料工程相关的创新。一个好的电机设计软件应该包含广泛的材料库，包括电磁、热和机械特性的综合数据库。软件中的求解器技术应该能够用于根据制造商提供的材料和损耗数据准确计算迟滞和涡流损耗。它还必须能够支持分析由于温度变化、机械应力等引起的物理效应而导致的材料性能变化。第四，驱动由逆变器驱动，逆变器会对电机性能和系统效率产生重大影响。设计工程师通常需要能够考虑逆变器及其控制策略影响的分析功能。这包括评估开关损耗以及驱动谐波对电机性能及其NVH特性的影响。在设计的这个阶段，进行详细的多物理场冷却系统设计或NVH分析并不重要。但是，重要的是要确保欧姆和其他损耗不会降低电机性能，或者更糟的是，导致灾难性故障。因此，能够计算一些参数非常重要，这些参数将有助于确保电机安全在正常运行下不会受到损害。理想情况下，可以使用基于集总参数或低维耦合电磁-热耦合仿真来确保电机的热可靠性。同样，在此阶段不需要详细的NVH分析。然而，评估组件界面之间的力分布、表面节点力分布、气隙通量密度谐波含量和局部应在Simcenter工具组合中提供了SimcenterSPEED和SimcenterMotorsolve工具，形成了一个出色的组合，可提供基于磁路的快速（~秒）和基于有限元的高精度（~秒/分钟）电机性能结果。SimcenterSPEED软件（1980年代后期发布）将分析磁路和基于模板的方法商业化，SimcenterMotorsolve软件（2008年发布）为基于模板的电机有限元分析工具。西门子数字化工业软件12白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发这些工具的一些基本功能是提供各种保真度级别的多个分析选项。其中包括电流和电压驱动仿真、基于等效电路的PWM分析、D轴和Q轴分析、完整的基于有限元的瞬态和运动仿真等。SimcenterMotorsolve包括一个全面的磁性材料库，涵盖广泛的软磁和硬磁材料，冷却材料等。同时软件还包含一些其他扩展功能：包括永磁体退磁预测、系统模型接口和电磁力计算、输出节点力的能力、温在单个软件系列中实现如此全面的功能是独一无二的。Simcenter旨在为解决前面提到的问题和挑战提供解决方案。图9显示了西门子数字化工业软件13白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发上一步的主要目标是获得满足系统级选型期间确定的性能标准的单个或多个设计选项。另一个重要目标是确保为这些选择实施实用、经济高效。将其缩小到几个候选者后，接下来进行详细分析。在此阶段，可能会进行基于二维和/或三维有限元分析的电磁仿真，以验证电机性能，改进几何形状以优化磁通分布并减少泄漏，分析系统故障，包括退磁预测，灵敏度分析，耦合电磁热仿真，结构分析和设计优化。还评估了电机在各种负载条件（连续、峰值、应该指出的是，其中一些分析实际上也可以在上一步中进行，尽管是低保真水平。计算密集型的（3D有限元和多物理场）通常留给这个阶段。需要注意的重要一点是，此阶段使用的分析方法应该是计算上可行的最准确的。对于大多数问题，这意味着将使用基于有限元的方法。从软件的角度来看，与上一阶段类似，关于所需功能可以说很多。但是，我们将重点关注与前面确定的工程和仿真挑战直接相关的方面，从与高效电机开发相关的挑战开始。准确计算电驱动效率有两个主要要求：第一，获得准确的场求解器，第二，计算损耗。事实上，这些要求是相互关联的。电机中有两种主要的电磁损耗源：欧姆（直流和交流）和铁损（包括迟滞和涡流损耗）。直流欧姆损耗是众所周知的，可以使用分析方法准确计算。交流欧姆损耗需要基于时谐场或基于瞬态场的有限元仿真。计算铁损困难的原因很复杂，包括模拟各种环境条件下的复杂材料行为、制造效应、电机控制策略的效果等。另一个重大挑战与多物理场仿真有关。在设计阶段，一旦电磁性能得到验证，就需要完全耦合的电磁-热仿真，以确保在峰值和额定条件下，电机的性能水平可以通过适当的冷却系统保持。需要温度升高对材料的电性能和磁性的影响。理想情况下，需要基于有限元的电磁-热仿真，其中传热系数基于经验分析和/或基于CFD的计算。在某些情况下，将基于有限元的2D电磁与基于3DCFD的热分析相结合也将是一个不错的选择。最终，电磁模型所需的保真度级别取决于要解决的特定问题。现在让我们考虑一下Simcenter处理这些问题的解决方案。Simcenter包含电磁、热（包括经验和基于CFD的求解器）仿真工具，例如SimcenterMAGNET软件是通用2D/3D电磁分析工具。它是第一个应件。自成立以来，它在开发电磁设备设计问题的尖端仿真功能方面一直处于领先地位。最近，西门子为Sim个磁滞场求解器，它是提供精确场解决方案的行业领导者。考虑到前面讨论的设计挑战，我们需要在设计周期中考虑高阶效应。SimcenterMAGNET中的磁滞求解器是实现术类型的一个例子。与传统方法相比，该技术显著提高了铁损计算的准确性。西门子数字化工业软件14白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发设计容错和鲁棒设计是另外两个电机设计挑战。电机故障的一些典型来源包括线圈和绕组短路、导致轴偏心的轴承退化、电压波动引起的电流浪涌、过流或温度浪涌引起的永磁体退磁和/或其他物理损坏。此外，制准。另外，对轴承退化导致偏心率的影响进行建模需要耦合的六自由度机电仿真，这既耗时又困难。对于软铁材料，磁性（B-H）特性和铁损耗可能与制造商提供的数据有很大差异。对这些效应（包括材料非线性）进行建模可能需要高保真模型。针对这些，我们可以使用Simcenter中的一些工具进行分析。由于电气和/或热系统故障引起的故障条件可以使用SimcenterMAGNET进行模拟，包括使用耦合的电磁-热分析功能。由于轴承退化引起的机械故障可以使用SimcenterMAGNET六自由度运动建模功能进行分析。为了防止高压组件之间的短路，可以使用SimcenterMAGNET电场求解器计算电场强度。SimcenterMAGNET3D退磁仿真功能可用于识别永磁体中由于过流和/或高温故障而容易退磁的局部区域。通常，SimcenterMAGNET可用于确保大多数电气故障的容错能力。可用于进行灵敏度分析，多目标优化问题中的降维，相关空间研究等。响的区域，从而影响电机性能。这些类型的结果有助于保护电机性能免受系统故障的影响。图10轴向永磁电机（左）及其高温下的退磁预测场此外，在面对轮毂电机或者轮边电机的设计时，电机的轻量化设计问题也是十分重要的方面。为了提升整车车辆动力学特性，轮边或者轮毂电机的设计要在满足动力学要求下尽可能减小重量。面对这样的挑战，可以采用优化软件驱动电磁场仿真在满足性能前提西门子数字化工业软件15白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发西门子数字化工业软件16白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发电驱动系统设计另一个重大挑战与多物理场仿真有关。其中结构强度、可靠性及振动噪声是结构方面主要关注的方面。对电驱动进行机械分析和NVH分析，以防止结构故障，以减少谐波的影响，避免共振并符合健康和安全标准。这一阶段的分析是在详细设计阶Simcenter3D提供完整的有限元前后处理环境，包括几何建模、清理、网格划分、网格质量检查、网格编辑、材料与单元属性定义、载荷与边界条件定义、分析工况定义以及各类后处理功能。这可以支持用户方便的进行结构强度分析。对于电驱动系统的NVH仿真是典型的多物理场仿真的应用。下面我们以其为例详细说明。电驱振动噪声来源于电机电磁激励及减速器的齿轴激励。这些都会通过壳体振动辐射到空间中产生噪声。因此，系统的采样多领域及多物理场仿真分析获取准确的载荷以及进行恰当的振动噪声仿真分析是十分重要的。电磁仿真需要采用考虑运动的时域求解器，因此往往采用2D模型提高仿真分析效率。结构有限元模型往往为三维网格，求解采用频域算法。电磁仿真的模型和结构仿真模型是两套不同的模型网格。Simcenter3D中电磁力处理工具可以快速方便的解决从电磁仿真到振动噪声仿真之间电磁力处理的问题。对于电驱动NVH分析的载荷多体动力学分析工程师来说，高效便捷的建模工具非常重要。Simcenter3DMotion提供专门的参数化变速箱建模工具箱TransmissionBuilder。如下图13所示，基于该工具，用户可以根据变速箱的原理简图、各部件参数快速准确的得到变速箱的多体动力学模型。对于变速箱而言，合理的轮齿微观修形可以显著提高其性能。在TB中提供了完备的轮齿微观修形功能。西门子数字化工业软件17白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发基于Simcenter3DMotion中原有的的齿轮接触算法，TransmissionBuilder扩展增加了齿轮啮合力计算方法。在齿轮接触检测方面，增加了分片检测的功能，从而可以考虑齿轮修形、齿轮不对中引起的动态效应。对于齿轮啮合力/啮合刚度计算，软件提供了基于ISO标准及用户定义传递误差；基于解析公式计算以及基于柔性接触的高级算法三种方法。高级齿轮啮合力计算方法用于模拟轮辐结构刚度变化引起的齿轮啮合力动态效应。同时结合有限元分析，可以对轮辐结构刚度变化引起的齿轮啮合力动态效应进行精确Simcenter3DMotion求解器基于时域进行求解，可以对系统进行柔性化建模处理，包括壳体的柔性化、轴的柔性化及齿轮的柔性化。电驱动总成的时域多体动力学模型载荷输入可以由电磁场仿真得到的转矩波动作为输入进行分析。在实际加载中可以考虑电机无论是结构激励还是电磁激励，都会激励起结构壳体的振动，进而产生噪声。因此，采用正确的方法和手段对壳体，尤其是对整个系统级的装配体进行动力学建模，获取准确的结构模型用于振动仿真分析是十分重要的。对于复杂结构来说最有效的方法是采用有限元模型修正的方法，通过试验验证仿真模型。通过试验振型与仿真振型的相关系数MAC、试验传函与仿真传函的相关系数FRAC、对仿真模型的置信度进行评估。通过Simcenter3D模型修正，进一步通过驱动有限元求解器的优化功能，可以完成优化迭代过程，从而使仿真模型与试验模型更加一致。西门子数字化工业软件18白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发图14结构模态试验仿真相关性分析及模型修正在电磁激励和齿轴激励的共同激励下，Simcenter3D可进行电驱动总成振动噪声分析。软件支持模态法求解器和直接法求解器的结构求解。对于刚度随频率变化不大的系统和结构，可以采用模态法进行结构振动噪声响应分析，对于结构刚度随频率变化的部分，如考虑减震系统的影响时，则需要采用直接法进行振动噪声分析。Simcenter3D中提供的完整丰富的求解功能支持各种情况的求解。基于声波波动方程精确理论和声学有限元/边界元数值方法的工业标准级求解器，可以实现快速、准确的声学求解预测，并同时将最复杂的因素考虑进来，使用得到企业验证的声学有限元/边界元分析技术可以在保证求解速度、精度的前提下确保仿真分析的可信度。考虑到电驱动总成辐射噪声宽频段与高频的噪声特点，Simcenter3D中提供的多种快速求解技术帮助提高噪声分析效率。FEM-PML/AML完美匹配层有限元技术在将有限元求解速度提高10+倍的同时，极大地拓展声技术有些类似于无限元方法中的无反射边界层概念，但理论上比无限元先进，可以认为是无限元的替代技术，可以大大减少声学网格FEMAO自适应阶次声学有限元求解器打破了原有六分之一波长的网格尺寸划分要求，可以从一个较粗的有限元网格进行求解，并且随着分析频率的增大有自动的进行加密。这样就使得每个分析频率都可以采用一个较少的自由度进行求解。从而使得该求解的速度相对于传统有限元得到了很大幅度的提升，并且需要很少的内存。因此对于电驱求解需要涵盖几百Hz到上万Hz的问题，采用自适应求关，这意味着ATV技术特别适合于多工况分析，像电驱动总成加减速工况和结构设计参数优化。该技术在载荷和设计参数变化的仿真计算中显示出巨大的优越性，因为只要不改变有限元模型的拓扑结构就不需要重新运行求解器。另一个优点是与结构计算相比，ATV计算频带更宽，因为ATV是频率的光滑函数。依据电驱动总成的几何结构，建议使用5Hz到25Hz宽的频带。使用大的频带可以节省声西门子数字化工业软件19白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发在结构设计中另一个方向是采用先进的仿真计算实现结构轻量化设计。Simcenter3D创成式优化设计可以有效帮助用户实现这统，生成潜在的可行性设计方案几何模型，然后进行自动化设计综合，从而筛选出设计方案推送给设计者进行最后的决策。创成式优化设计方法包括拓扑优化、形状优化、制造优化甚至是规则驱动的参数技术。这些优化设计（有时称为仿生化）不能通过传统的设计方法完成，也不能使用传统的减法制造方法生产。与传统设计方法相比，创成式设计让产品开发人员有机会探索更多设Simcenter3D创成式优化设计软件，覆盖产品概念设计、详细设计及验证等各个环节，包括模型设计、拓扑优化、模型轻量化设计、模型验证、模型打印准备、模型质量检查等环节，所有业务环节都可以在统一的软件环境实现，不需要切换软件，不需要数据格式转化，这是西门子独有的技术优势，帮助用户对现有业务进行流程化，提高业务开展的效率。图16创成式结构轻量化优化设计西门子数字化工业软件20白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发电机在工作状态下产生的损耗，都会以热量的方式表现出来。混合动力汽车或者纯电新能源汽车的驱动电机采用的是永磁同步电机，永磁同步电机对散热的要求极高，这是因为磁铁在高温的环境下是可以消磁的，若因电机散热不佳导致消磁车辆失去动力，这将新能源汽车电驱动系统由于其结构小、能量密度高的特点，会造成热量更加集中，从而需要更加有效的散热设计。而且，由于驱动电机和变速器集成化设计的需要，电驱和变速器的热量都需要更小、更简单的冷却方式，以有效满足散热设计。电驱散热性能分析的目的在于获得电驱动系统在不同工况下的三维详细温度场，判断冷却系统的设计是否满足电驱散热的需要，如果不满足设计需要，则需要修改冷却系统设计，预测冷却系统性能以满足散热的需要。新能源汽车电驱动系统散热主要有3种方式：风冷、水冷、油冷，或者多种冷却方式混合使用。风冷是通过冷却风扇直接吹拂电机的方式进行冷却。这种冷却方式的散热不均匀，散热效率低，散热效果不好，风机运行的噪音相对较大。这种冷却方式适合于电机输出功率不高的微型车。水冷则是用冷却液充满电机壳体内部的水道，然后连接一个外部的散热量，从而把电机的热量带走。这样做的好处是电机和电池包可以共用一套冷却系统。但是水冷方式的缺点也很明显，由于电机的高温部分主要集中在定子绕组的端部，热量要通过绝缘层、定子外壳和水道才能被冷却液带走，这无疑会影响散热的效果。而且由于额外的水道，电机的体积也会增加。油冷的方式是把润滑油直接喷淋在定子绕组的端部，直接对高温部件进行冷却，同时通过转子旋转轴开孔的方式，将冷却液喷淋到转子上。研究表明，在相同工况下，油冷电机的内部各温度比水冷电机的内部温度要低15%以上，油冷电机达到热平衡的时间会更短。因为电机在运转的过程中，绕组的端部往往是发热最严重的区域，差不多能占到电机热量的40%。而更深层的转子深处的热量也无法带走，这就衍生出全新一代油冷散热技术，直瀑油冷，不仅在绕组端部油液沁入散热，更是在转子整体做油液喷淋，使得整个电油冷方式可以把电驱和变速箱集成在一起，减小了设备尺寸，这是当前新能源汽车电驱散热研究的重点方式。但油冷电机散热性能的分析存在着一些应用的困难，这是因为：•由于电驱动系统的转子较高的转速（一般高达每分钟数万转），而且喷淋冷却是典型的多相流（空气相，润滑油相）应用，因此西门子数字化工业软件21白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发因此，如何解决这两个相互矛盾的点，是油冷电机散热性能分析的重点和难点。传统上基于有限体积方法进行仿真分析，其计算时间通常需要数周，这在工程上是不经济的，也是不允许的。西门子Simcenter采用将流动和换热分离开来，分别建立各自的模型，流体采用瞬态模拟，固体采用稳态模拟，将两个模型耦合秀的、基于有限体积法的CFD软件，其在复杂几何处理、计算效率上相对于同类型软件具有明显优势。在耦合方案中，SimcenterSPHFlow计算瞬态液体喷淋以及对流换热，将对流换热系数传递给SimcenterSTAR-CCM+；SimcenterSTAR-CCM+进行问题固体温度场计算，将固体表面温度传递给SimcenterSPHFlow。通过多次反复的耦合过程，直至达到温度场“稳定”状态。下图说明了耦合的过程。使用Simcenter耦合方案，电驱动系统油冷散热分析周期从数周降低为数天，计算效率提高了6倍，可以有效满足产品开发周期的西门子数字化工业软件22白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发此外，电驱散热性能分析中，可以使用HEEDS进行优化分析，通过HEEDS，可以优化冷却系统设计，比如喷淋孔位置和流量，从西门子数字化工业软件23白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发对于新能源汽车来说，电控系统相当于整车的“大脑”，它的性能决定了车辆能耗、排放、动力、舒适性等主要的性能指标。在节能减排的要求下，电控系统的整体呈现功能越来越复杂、集成度越来越高的发展趋势，这意味着电控系统的散热问题愈发凸显。事实上，50%以上的电子系统失效都是由于温度导致，所以必须采取高效的冷却方式以及合理的散热设计，才能保证电控系统的安全电驱电控系统散热设计中最核心的部件是电驱主控制器和功率变换器（包括DC/DC变换器和DC/AC逆变器），冷却方式可以采用风冷或者液冷。在新能源汽车的集成化电驱动系统中，主要以液冷设计为主，与电机、电池冷却方式一致，结构更为紧凑，便于系统化设计和管理。对于功率稍小的辅助控制器，也会根据安装空间等条件，选择被动冷却或风冷的散热方式。电控系统散热设计的首要目的是获得关键功率器件结温和控制器整体的三维温度场，确认电子元件处于安全的工作温度范围。除此之外，液冷分析还需要根据分配的冷却流量，通过设计和优化冷板结构，保证功率器件温度的均匀性，同时尽量降低冷板压降，减小流动损耗。被动冷却或风冷需要优化散热器结构，进行风扇选型和位置优化，避免散热路径上出现导热瓶颈或热风回流。电控散热设计主要有三个难点：1，跨学科跨部门协作。电控系统的散热设计与电子电气设计和结构设计密不可分，热设计工程师应用来自电子电气工程师的EDA文件和来自结构设计工程师的三维CAD模型进行热流仿真分析，在设计发生变更时需要及时同步模型数据。不同部门的工程师所用工具能否无缝集成，模型数据是否有统一真实的来源，决定了热设计的效率。2.难以在设计早期定位潜在散热问题。很多散热问题在概念设计阶段就已经存在了，只是传统的设计方式通常先分别进行电子电气和结构设计，之后再进行热符合性验证，散热问题发现得比较晚，导致大量的返工和重新设计。3.汽车电控系统仿真前处理工作量大，影响研发周期。对于集成度高的电驱电控系统如三合一系统，整体结构非常复杂，如果在传统CFD工具中进行整机热流分析，几何清理及网格划分可能花费数天甚至数周的时间，影响整体开发进度。故而很多时候，不得不将三合一系统拆分，分别进行分析设计。但电控模块所处环境复杂，各部分的流场和温度场互相影响，分开分析很难给定准确的边界如何解决上述难题，是提高研发效率、加快设计创新的重点。SimcenterFlotherm(XT)和FloEFD是西门子Simcenter解决方案中专为电子热设计而开发的仿真工具，旨在帮助研发团队应对电控系统热设计中的挑战。西门子数字化工业软件24白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发建模库，提供机箱、PCB、风扇、散热器、热管、热界面材料等模型和数据，以及功率电子和控制器芯片的常用封装模型如BGA、QFN、TO等等，可直接在概念设计阶段快速建立主控制器和功率电子器件的简化模型，从而在没有详细结构和电子电气设计的时候，提前发现潜在的散热问题，论证散热方案，优化PCB布局，为结构和电气工程师提供设计建议。结构设计工作环境中完成全部的CFD前后处理和求解。当设计发生改变时，CFD仿真设置也同步更新。FloEFD独特的SmartCells网格技术能够自动识别流体域，使得工程师无需对复杂几何模型做手动简化和清理，同时自动进行网格加密和边界层处理，能够节省70%-80%的前处理时间，从而大幅提高散热设计效率。通过FloEFD自带的设计优化模块，或集成到HEEDS平台，可以自动优化冷板、散热器结构，广泛应用于功率电子模块或电控系统整体的液冷散热设计。西门子数字化工业软件25白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发考虑到车载电子所处的高温和振动环境，工程师也可以从FloEFD中输出多种格式的三维温度场和流场结果，结合有限元工具进行热-结构耦合分析，如封装焊球的蠕变和热疲劳分析。Flotherm(XT)和FloEFD还可以输出边界无关的降阶模型，与一维系统仿真工具结合进行1D-3D协同分析，使系统设计具备预测温度的功能，例如在液冷系统设计中考虑流量分配对IC结温的实时影响，分析逆变器中IGBT温度在真实驾驶循环中的瞬态变化，以及动态温度调控策略仿真等等。西门子数字化工业软件26白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发对于电驱系统的仿真分析，传统方法是将不同的结构分割，然后再分领域的进行设计仿真分析。不同的仿真分析之间相互独立，系统级集成往往在后期阶段完成。或者采用多物理场联合仿真的方法，创建二维或者三维模型，采用有限元方法进行仿真分析，这些模型相对精度较高，但是其求解过程往往需要消耗大量的时间和计算资源。图20传统集成分析流程：顺序仿真(上图）和三维多物理场仿真(下图)随着开发周期压缩的压力和产品集成度的提高，采用集成化的方式进行系统级的设计仿真，同时兼顾电机和控制器的性能的方式应运而生。即在系统级采用一维模型，设计空间或者实时仿真。在部件级采用一维、二维和三维模型的混合模型。西门子数字化工业软件27白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发在其中，一维系统仿真往往都会采用SimcenterAmesim来搭建，不同层级的零部件模型会通过联合仿真或者模型降阶的方法与系统模型联合，最终形成一个包含各个层级维度的系统模型。Simcenter中的工具及其直接和间接连接提供了一个独特的平台，可用于探索传统设计方法的替代方案。同时Simcenter将整个过程做的更加自动化、接口更加方便，以同时方便设计工程师和仿真工程师来使用。下面我们将举几个典型的案例予以说明。动力性能迭代验证获得电机的详细设计参数后，工程师利用SimcenterAmesim将这些参数导入整车及电驱动系统的详细模型中，完成对电机详细设计的整车级迭代验证。验证内容包括初始设计阶段所述动力性和经济性的各项指标。该阶段所用到的电驱动系统模型较初始阶段的功能模型颗粒度更为精细，具体表现为电驱动系统模型对控制器和电机本体进行区分，电机本体外特性不再采用用户定义的方式，而是根据电机设计部门给出的详细参数计算得到。同样的，控制器功率单元的效率也能够根据器件手册中的半导体工作特性计算得到。综上所述，电驱动系统的详细动力性能在这一阶段得到了验证。图22加载电机详细电磁性能的整车级指标验证散热性能分析及热管理策略电机内部温升过高不仅会缩短电机内部绝缘材料的寿命，而且会降低电机的运行效率，使得发热量增加，造成电机温度进一步上升，形成恶性循环，严重影响电机寿命和运行安全性。据统计，30%~40%的永磁电机失效是由电机温升过高引起的。因此，采用高效的散热系统抑制电机温升是电机向高效率、高稳定性和高可靠性方向发展的关键。相较于风冷散热，液冷散热具有更高的换热效率，可以达到前者的50倍，适用于电机发热量大，热流密度高的散热场合。因此，车用电机的多采用水冷或油冷这两种液冷散热方式。水冷散热系统的流道结构是影响其冷却效率的关键因素，工程师通过优化西门子数字化工业软件28白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发流道结构参数提高水冷散热的冷却效率。通过通过增加流道数量、在冷却流道中添加扰流结构和增加冷却水流量等方式可以有效提高冷却效率，但同时也导致压力损失明显增大。因此，在实际应用中需要综合考虑水道换热能力和压力损失以设计合适的水道结构。直接油冷散热系统的冷却油与电机内部发热部件直接接触，具有极高的散热效率，是解决高功率密度电机散热难题的有效方案，目前正在被越来越多的电驱动系统供应商所采纳。但直接油冷循环系统的设计复杂度比水冷循环的设计更加复杂，需要较为详细的仿真验证与评估过程才能使系统散热效率达到最佳。无论是水冷散热还是油冷散热系统，都涉及到液冷循环回路的流量和压力计算，以及冷却工质和电机本体间的换热计算。通常采用的方法是通过CFD和热网络法相结合的方式，利用CFD精细化的网格划分计算得到电机液冷循环系统在典型工况下的稳定流动状态以及换热效果，然后通过离散化处理，在多学科系统仿真环境中得到电机本体、减速器、以及液冷循环系统的热网络模型，进而加载动态工况完成进一步的散热设计验证。采用SimcenterAmesim可以帮助工程师快热网络模型，同时，用户可以在SimcenterAmesim环境下对该热网络模型进行任意调整已完成电机本体、减速器、液冷循环系统的集成，从而在保持仿真精度的同时，大大提升仿真闭环动态工况下的仿真计算速度。图23电机热网络法的仿真评估的自动化实现流程西门子数字化工业软件29白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发图24液冷循环系统的流量分配仿真评估控制器功率模块散热设计控制器功率模块为电机控制器的核心部件，电机驱动系统的大容量控制需求，使功率模块向高频化、大功率化以及高度集成化方向发展。IGBT/SiC是目前车用电机控制器功率模块普遍采用的半导体技术，同时也是电机控制器的主要热源，在处理波动的功率流工作过程中，IGBT/SiC产生的功率损耗导致其结温的升高与波动，导致芯片性能衰减，甚至造成键合线断裂等失效形式。因此，进行结温估算研究对于提高电驱动系统可靠性，实现精准热控制及部件保护具有重要意义。目前常用的结温估算模型例如Foster热网络法，需要通过热阻测试仪，例如：T3STER，或基于CFD的专业电子散热仿真工具，例如：SimcenterFloTherm，测量或计算得到功率模块的降阶热网络模型。该热网络模型可以直接导入SimcenterAmesim中与电驱动系统其他部件模型集成，并应用于动态闭环工况的仿真。工程师采用上述方法能够大大缩减仿真计算耗时，从而加快功率模块散西门子数字化工业软件30白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发车用永磁同步电动机具有结构紧凑、功率密度高、气隙磁通高以及转矩惯性比高等优点，电机输出转矩平滑度是衡量驱动系统性能的重要指标，而电机电流中的高次谐波是影响电机输出转矩平滑度的主要因素。造成电机电流谐波因素主要有两方面原因：1）电机本体方面，如齿槽效应、绕组分布形式、磁路磁饱和效应、转子磁极结构等引起的电机气隙磁场畸变；2）逆变器方面，如开关器件的死区时间、管压降等非线性特性。同时，减速器齿轮的刚度和惯量也会引起电驱动系统输出轴上的扭矩波动。因此，在设计电驱动系统的时需要对各因素引起的输出扭矩波动进行综合考虑和优化。采用SimcenterAmesim多物理系统仿真平台搭建的电驱动系统及整车驾驶性模型，可以精确复现电驱动系统各部件引起的扭矩波动。首先工程师将电机电磁仿真所获得磁链及铁损参数Map文件导入SimcenterAmesim，该参数文件用于精确计算电机转子在不同角度与电流幅值相位下的电磁扭矩。同时SimcenterAmesim中搭建的详细的驱动电路模型可以体现由PWM脉宽调制所产生相电流高阶谐波。工程师通过仿真可以对电驱动系统输出扭矩波动的各阶分量进行跟踪分析，同时开发用于抑制波动的软件控制策略，如西门子数字化工业软件31白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发SimcenterAmesim提供了各种类型电机的本体模型及其常规控制算法，包括：直流有刷、直流无刷、永磁同步（凸极式/隐极式、三相/六相/九相）、感应电机、开关磁阻电机。该平台提供的整体解决方案适用于各类电传动部件的建模与仿真。例如：动力总成中的主驱电机、启动发电一体机，底盘中的转向助力电机、线控制动电机，热管理系统中的空调压缩机、循环泵驱动电机，车身中的座椅调节电机、车窗升降电机等。以车用主驱电机中常见的高速永磁同步电机及其FOC控制、SVPWM调制技术为例，如下图所示。工程师利用该模型可以快速地完成控制算法功能性验证，控制电流的幅值/相位标定，电流环跟踪控制的PID参数整定，评估不同PWM调制技术、载波频率、死区宽度对电流谐波成分的影响。图28电机虚拟标定及整车能耗评估工作流程西门子数字化工业软件32白皮书–Simcenter电驱动系统性能开发电机控制器软件在环测试(SIL)上节内容实现了电驱系统控制算法开发过程中模型层面的验证，为了保证软件实现后的功能与算法模型保持一致，特别是在MCU硬件具备部署条件之前，或者已经具备部署条件但由于软件成熟度不足而可能造成调试过程中硬件损坏，可以通过软件在环测试对控制程序代码进行功能验证。这部分工作主要分可为两类：第一类只关注实现控制算法的应用层软件测试，目标编译平台无需与控制器保持一致，该方法的优点是流程简单、测试迭代周期短；第二类测试方法需要将应用层软件（SWC）与符合AutoSAR架构的基础软件（BSW）进行集成，通过虚拟ECU完全模拟SWC与BSW在目标处理器上的运行环境，相较于前者该方式的优势在于控制软件的测试范围更加全面，更加符合软件真实运行场景。针对第一类即仅应用层软件的在环测试，SimcenterAmesim中的电驱系统被控对象模型可与应用层算法软件的C代码通过联合仿真进行闭环测试，用户程序代码可运行在VisualStudio等常用集成开发环境中。针对第二类与AutoSAR基础软件集成后的测试，西门子数字化工业软件